构建网络是制备高性能导电导热聚合物基复合材料的关键,目前广泛采用的自组装成网模式因自组装力不足,难以得到密实的网络,导致复合材料的导电导热性能远低于预期值。进一步增加导电填料的体积分数,虽然会增加网络的密度,但对网络上导电粒子平均间距的进一步减小贡献不大,反而会造成复合材料加工性能和力学性能的大幅下降。
为解决上述问题,应该探索能够有效减小导电网络上粒子间平均间距的新加工方法。吴大鸣教授团队提出了一种空间限域强制组装法(SCFNA)制备导电导热复合材料的新方法,其实质是在限制自组装网络摆动自由度的条件下,对松散的自组装网络进行强制压缩组装。从而对功能分散相施加远大于自组装作用力的“强制组装力”,强制“挤走”导电粒子间的聚合物,实现了导电网络的密实化,为大幅度提高导电性能提供了可能性。在填料含量不变的前提下,复合材料的电导率成数倍甚至成数量级的提高。同时复合材料的导热性能也获得了数十倍提高。该方法目前在热塑性复合材料,热固性复合材料及光固化复合材料均获得显著效果。相关成果发表在国际知名复合材料期刊Composites Part A,2017,102,88–95。
通过制备方法的创新,实现了用“强制组装”方法替代目前“自组装”方法构建网络的重要突破,相同配方条件下,采用SCFNA法制备的聚丙烯-碳纤维复合材料导电性能高出2-4个数量级。制备的聚二甲基硅氧烷-碳纤维复合材料导电性能提高1-5个数量级。同时,获得了聚合物基复合材料关于强制组装厚度上的导电渗流现象。相关研究得到业内同行的高度关注,有望较大程度地推进聚合物基导电导热复合材料技术的进步。同时对于开辟注射机与螺杆挤出机新功能具有重大的工程实用价值。